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- 같은 방식으로 만들고 같은 화학 조성을 가지지만 자주 상반된 결과가 나오는 이유 분석
- 서로 다른 두 제조업체의 폴리스티렌 입자 조사
- 폴리스티렌 입자는 제조사에 따라 동일, 전하량과 생물체에 미치는 영향에서 분명한 차이
- 사용된 입자의 화학적 조성과 표면 특성을 자세히 알아야 정확한 결과 얻어

미세 플라스틱이 같은 미세플라스틱이 아니다.
보기에 같은 폴리스티렌 입자라도 분명하게 다른 방식으로 세포를 손상시킨다.

비교하기 어려움:
한 연구에서 알 수 있듯이 동일한 폴리머의 미세 플라스틱이라도 제조업체에 따라 생물학적 효과가 다를 수 있다. 같은 화학 성분을 가지고 있다고 생각해도 이러한 플라스틱 입자 중 일부는 다른 입자들보다 세포에 더 손상을 준다. 연구원들은 “이런 차이점은 독성 연구가 지금까지 왜 그렇게 상반된 결과를 낳았는지 그 이유를 설명할 수 있다”고 보고했다. 

▲ 미세 플라스틱 구슬들은 화학적으로 동일하지만 미세 플라스틱 입자는 크게 다를 수 있다. © Julia Jasinski

미세 플라스틱은 오랫동안 전 지구적 환경 문제다.
이러한 플라스틱 입자 중 일부는 크기가 수 마이크로미터에 불과하며 거의 모든 곳에서 찾을 수 있다. 그들은 바다와 해양 생물에 존재하지만, 인간의 유아조차도 미세 플라스틱의 영향을 받는다. 입자는 음식을 통해 뇌에 침투하여 거기에 있는 세포를 손상시킬 수도 있다.


미세 플라스틱이 조직과 세포에 미치는 유해한 영향과 이것의 종속성은 부분적으로만 밝혀졌다. 이런 테스트에서는 연구 목적으로 특별히 제조된 구형 폴리스티렌 입자가 자주 사용된다. 폴리스티렌은 스티로폼을 만드는 널리 사용되는 플라스틱이다.

미세 플라스틱 연구에 사용된 입자는 대부분 동일한 방식으로 생성되고 동일한 화학 조성을 가지지만 이전 연구에서 더 자주 상반된 결과를 얻었다. 독일 바이로이트(Bayreuth) 대학의 안냐 람스페르거(Anja Ramsperger)가 이끄는 팀은 최근 미세 플라스틱 관련 연구에서 가능한 오류 소스 중 하나를 발견했다.

▲ 연구 개요도(출처: 관련논문 Supposedly identical microplastic particles substantially differ in their material properties influencing particle-cell interactions and cellular responses )

테스트에 투입된 폴리스티렌 입자

과학자들은 서로 다른 두 제조업체의 폴리스티렌 입자를 조사했다.
하나의 테스트 후보는 미국 회사인 Polysciences의 비드(작은 구슬)이고 다른 하나는 독일 로스톡(Rostock)에 있는 제조업체 마이크로모드(Micromod)에서 가져온 것이다. 양사는 이른바 유화중합 방식으로 미세 플라스틱을 제조하고 있으며, 입자 크기도 거의 동일하다고 밝혔다. 한 가지 차이점은 Polysciences는 생산 후 박테리아 성장을 방지하기 위해 0.05% 아지드화나트륨(sodium azide)에 구슬을 넣는다. 자체 정보에 따르면 Micromod는 이를 위해 물만 사용한다.

Ramsperger의 팀은 한편으로는 분자 구성에 대해, 다른 한편으로는 소위 제타 전위(zeta potential)라고 불리는 입자 표면의 전하 분포에 대해 폴리스티렌 미세 플라스틱을 조사했다. 연구 과정에서 그들은 또한 마우스 모델 세포를 미세 플라스틱에 노출시켰다. 과학자들은 전달 직후, 입자를 초순수로 세척한 후, 살아있는 세포와 상호작용한 후의 세 가지 다른 시간에 구슬의 제타 전위를 측정했다.

전하 분포의 큰 차이

결과:
폴리스티렌 입자는 제조사에 따라 동일했지만 전하량과 생물체에 미치는 영향에서 분명한 차이를 보였다. Polysciences의 구슬은 배송 시 및 세척 후 약 마이너스 80μV(micro Volt)의 전위를 가졌지만 Micromod 입자는 거의 하전되지 않았다.

이 차이는 궁극적으로 모델 셀에서 나타난다.
거의 하전되지 않은 미세 플라스틱은 외부에서만 부착된다. 반면에 폴리사이언스 입자는 부분적으로 완전히 세포 구조로 둘러싸여 있어 신진대사와 세포 성장을 분명히 방해했다.

수석 저자인 바이로이트 대학의 크리스티안 라포쉬(Christian Laforsch)는 "우리 연구는 미세 플라스틱의 건강이나 생태학적 영향에 대한 일반적인 설명을 하는 것이 얼마나 문제가 많은지를 보여준다"고 말했다. Ramsperger는 "실험의 반복 가능성은 미세 플라스틱 연구에서 가장 높은 우선 순위를 가져야 한다. 특히 건강에 미치는 영향을 조사할 때 그렇다"고 덧붙였다.

▲ Fig. 1. (A) SEM images show differences in surface morphology of both particle types. (B and C) ζ-potential measurements of P-MPP (blue) and M-MPP (red) particles. The ζ-potential measurements were performed in 1 mM KCl at pH 6 (B) and selected pH values during a pH titration (C). (B) Both particles were measured in stock solution and after incubation in MilliQ water as well as after incubation in two cell culture media (DMEM and RPMI) supplemented with 10% (v/v) FCS. (C) For the titration, stock particles were used. Data points represent mean ± SD, n = 3. The surface charge of P-MPP was significantly more negative than that of M-MPP, regardless of the pH of the medium used. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

방아쇠: 표면에 있는 분자 그룹

연구원들에 따르면, 폴리스티렌 입자의 다른 특성은 무엇보다도 긴 사슬 플라스틱 분자의 구조와 배열에서 비롯된. 예를 들어, 그들은 Polysciences의 입자 구형 표면에서 음전하를 띤 황산염 그룹을 감지할 수 있었다. 이는 Micromod-구슬입자들과 대조적으로 전하 분포가 훨씬 더 균질하다는 것을 의미한다.

Polysciences가 생산하는 미세 플라스틱의 음이온성 황산염 그룹은 궁극적으로 구슬이 분자간 인력, 이른바 반-데르-발스(Van-der-Waals)힘을 발생시키도록 한다. 연구원에 따르면, 이것은 또한 미세 구슬 입자들이 살아있는 조직에 더 깊숙이 침투할 수 있는 이유를 설명한다.

▲ 그림 4. J774A.1과 ImKC 대식세포를 두 가지 다른 유형의 미세플라스틱 입자와 배양해 SEM을 통한 입자-세포 상호작용(PCI) 및 내재화된 미세플라스틱 입자에 대한 정성적 연구. 세포를 24시간 동안 세포당 20개의 입자와 함께 인큐베이션했다. P-MPP는 더 자주 세포막으로 덮여 있으므로 M-MPP에 비해 두 세포주에 의해 내재화(주황색 화살표)되어 두 세포주의 막에만 단독으로 부착됩니다(흰색 화살표). 눈금 막대: 10 µm. (이 그림 범례의 색상 참조에 대한 해석을 위해 독자는 이 기사의 웹 버전을 참조하십시오) (출처: 관련논문 Supposedly identical microplastic particles substantially differ in their material properties influencing particle-cell interactions and cellular responses)

더 나은 특성화 필요

과학자들의 결과는 같은 폴리머 유형의 미세 플라스틱이라도 서로 비교하기 어렵다는 것을 보여준다. 연구원들에 따르면, 겉보기에 동일한 입자 사이의 작은 차이는 향후 조사에 필수적이며 각 연구 전에 주의 깊게 특성을 규명해야 한다.

“미세 플라스틱이 살아있는 유기체에 미치는 영향을 추적하는 것을 목표로 하는 수많은 독성 연구가 있다. 그러나 사용된 입자의 화학적 조성과 표면 특성을 자세히 알아야 이러한 연구를 과학적으로 비교할 수 있다”고 Ramsperger는 요약한다. "앞으로 우리는 바이로이트에서 우리의 실험에 사용된 미세 입자를 자세히 살펴볼 것이다."
(Journal of Hazardous Materials, 2021; doi: 10.1016 / j.jhazmat.2021.127961)
출처: 바이로이트 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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